基于“网云端”的新型指挥控制系统体系结构建模*

余宏峰，李琳琳，肖 彬，金 明

（火箭军工程大学作战保障学院，西安 710025）

0 引言

随着大数据、云计算和人工智能等新兴信息技术的不断发展，指挥控制系统从以网络为中心的传统指挥控制系统逐渐发展为以服务为中心的新型指挥控制系统，系统的整体性、关联性和复杂性等特征日益凸显，需要利用系统工程的理论和方法从体系结构角度研究系统顶层设计，利于实现系统的可集成、互操作，为系统的研制与评估奠定基础。

目前，体系结构设计已成为研究热点。陈新来［1］针对卫星通信系统的体系结构设计问题，设计了适用于通信抗干扰能力研究的作战、系统和能力体系结构；李文俊［2］针对当前装备信息保障系统缺乏顶层设计不便集成的问题，基于DoDAF2.0 对面向服务的装备保障信息系统，从能力、业务、系统和服务等4 个视图进行了体系结构设计；李宏伟［3］采用DoDAF2.0 对海面监视指挥信息系统开展了顶层体系结构设计，构建了规范化、可拓展的视图和模型。但是目前针对新型指挥控制系统，尚未开展其体系结构建模研究。

本文首先根据新型指挥控制系统的定义及特点对系统总体架构和组成进行分析；其次，通过研究和分析体系结构框架DoDAF2.0，提出了基于DoDAF2.0 的新型指挥控制系统体系结构建模流程；最后，对新型指挥控制系统作战视角、服务视角、能力视角和系统视角共8 个关键视图模型进行了设计，为系统建设的各阶段提供统一的体系结构描述。

1 新型指挥控制系统总体架构及组成

基于“网-云-端”新型指挥控制系统是指依托云计算和大数据等新兴技术，提供强大的计算能力、信息整合能力和资源分发能力，利用云平台的“软件即服务、平台即服务和基础设施即服务”的思想，云端上有机融合态势综合、决策筹划和武器控制等多种应用服务，具备态势感知、指挥决策、行动控制、支援保障和资源管理服务等功能，实现对战场从上到下不间断、无缝隙、实时高效的指挥控制，能够实时高效地辅助完成各种作战任务。

新型指挥控制系统具有全域感知、按需聚合、韧性服务和敏捷指控等特点。全域感知是指能够快速获取作战区域内的多源信息，准确分析各种态势信息，形成了多维的战场态势。按需聚合是指采用通用标准的接口协议和框架，能够快速地进行系统精简和能力扩展，以适应不同作战任务变化的需求。韧性服务是指采用面向服务的体系结构，实现服务的创建、部署、发现和集成使用，提高系统的能力。敏捷指控是指按照通用化、服务化和分布化部署，快速适应作战任务、规模、编成以及系统自身状态的变化。

1.1 “网-云-端”总体架构

新型指挥控制系统总体框架依据“网- 云-端”的设计思路，包含无处不在的作战网络、云端服务和终端系统［4］。作战网络是信息获取、态势传递、资源和服务提供等的基础，云端可通过通信网络向终端提供各类基础资源和服务，实现对终端的赋能和适当轻量化。新型指挥控制系统的“网-云-端”总体架构如图1 所示。

图1 “网-云-端”系统总体架构

“网”表示覆盖战场各级各类指挥节点及作战节点的通信网络，具备支持快速、便捷、灵活调整配置网络功能及其载体的架构，包含各类有无线通信网络资源。“云”是指根据作战任务需求动态有机重组各类作战资源，从而形成与任务匹配的一种弹性、动态的资源池，通过将服务分布在网络上，具备弹性可扩展、积木可重组和形散力聚的特点［5］，为终端提供通用泛在的各类服务。“端”代表着通过网络从云中获取相关作战能力的物理实体，主要包括固定指挥所，机动指挥所和作战单元等终端，根据任务需求从云端获取相应的态势融合、决策支持和任务筹划等能力。

1.2 新型指挥控制系统结构组成

在“网-云-端”的架构下，系统内部资源通过网络的共享及云端的统一管理，可以给各子系统使用，实现资源利用率最大化，同时动态组织云上服务，拓展系统能力，为系统效能的提高提供技术基础，满足多样化的作战任务。根据“网-云-端”的系统总体架构，构建新型指挥控制系统结构，总体上自下而上分别为基础设施层，服务层和应用层，如下页图2 所示。

图2 新型指挥控制系统结构组成

基础设施层包括网络层、计算层和数据层，网络层为新型指挥控制系统提供信息传输能力，实现战场空间内作战节点的端到端传输，支持各类作战要素的无缝连接和高效协作运行［6］；计算层为系统提供作战过程中大量运行所需的计算机硬件设备、云计算等计算设施和所需的操作系统、基础软件环境等基础软件；数据层是利用数据维护管理工具及集成环境，实现指挥控制系统相关数据的采集、标准化处理、按需分发和实时更新，同时为基于数据的服务提供数据基础［7］。

服务层包括基础设施服务以及通过基础设施服务对资源进行整合的各类应用服务［8］。基础设施服务实现各类资源服务化和动态重组，是系统服务化的关键要素。基础应用服务是针对作战应用服务而言，比如地图服务、导航服务等，作战应用服务包括态势融合服务、决策支持服务、作战筹划服务和武器控制服务等，依托统一的服务化软件平台实现系统全网资源的即插即用、按需共享［9］。

应用层主要包括态势综合、决策支持和协同处理等系统功能的实现，是任务驱动下对基础设施服务、基础应用服务和作战应用服务进行积木重组，灵活构成面向任务需求的指挥控制系统［10］。

2 新型指挥控制系统体系结构流程

美国国防部架构框架2.0，简称DoDAF2.0，是美国国防部为了满足军事部门和相关工业部门在从事军事装备研究、制造时能遵守相同的架构框架，实现对信息的重用和对架构共同的理解而提出的，是架构开发的顶层、全面的架构和概念模型，为构建、分类和组织架构提供指南与规则［11］。

本文结合DoDAF2.0 体系结构六步开发过程和“适用性”原则［12］，提出了基于DoDAF2.0 的新型指挥控制系统体系结构建模流程，如图3 所示。

图3 系统体系结构建模流程图

首先通过新型指挥控制系统的作战任务和使命，对高层作战概念图OV-1 进行设计，分析高层作战概念图，依据我军作战流程，建立作战活动模型OV-5b；其次，在作战视角模型的基础上，确定系统服务，建立服务接口描述SvcV-1；再次，由高层作战概念图OV-1 和服务接口描述SvcV-1 确定所需系统能力CV-2，系统服务实现系统能力，由CV-2 和SvcV-1 得到能力与服务的映射模型CV-7，由CV-2和OV-5b 得到能力与作战活动的映射模型CV-6，且系统能力支持作战活动；最后分析作战活动OV-5b，建立系统功能描述SV-4，由OV-5b 和SV-4 建立系统功能与作战活动跟踪矩阵SV-5a。

3 新型指挥控制系统体系结构建模

3.1 作战视角模型分析与设计

3.1.1 高层作战概念图OV-1

高级作战概念图的代表符号是OV-1，该模型描述作战设想、使命种类与想定，以及作战节点与作战资源和环境之间的交互，以及系统与外部系统之间的交互等。新型指挥控制系统的高层作战概念图如下页图4 所示。

新型指挥控制系统在联合作战指挥体制下，结合预警体系和全军战场数据资源辅助，基于资源管理服务中心或数字化战场为各级指挥机构提供统一的信息保障服务（服务保障见图4 蓝色疏虚线），实现对战场从上到下不间断、无缝隙、准确实时的指挥控制，能够高效地辅助完成各种作战任务。

在正常情况下，作战指令按照逐级指挥链路流通，从上级指挥所、战役/战术指挥所，再到作战单元（见图4 红色实线）。紧急情况下，作战指令可越级流通，直接从上级指挥所到作战单元，实施越级指挥手段（见图4 红色加点虚线），图4 中绿色密虚线是各级向上级进行战场动态汇报的反馈链路。

图4 新型指挥控制系统的高层作战概念图

依托资源管理服务中心和数字化战场提供服务，可实现各级指挥所信息资源共享，态势订阅，按需聚合，生成与作战任务相匹配的系统能力，精简系统的同时灵活地解决传统信息保障效率低、实时性差等难题。

3.1.2 作战活动模型OV-5b

作战活动模型的代表符合是OV-5b，描述与体系结构相关的作战活动，以及活动之间交换的数据流或信息流，新型指挥控制系统的作战活动模型如图5 所示。

图5 新型指挥控制系统作战活动模型

新型指挥控制系统的顶层作战活动主要包括态势综合、作战决策、作战任务规划、方案选择、组织发射、信息服务保障、支援保障、行动监控以及毁伤效果评估等9 项。同时在作战活动图中体现了服务保障流（图5 蓝色实线）与指挥控制流（图5 红色虚线）分离的思想，由于作战过程中指挥控制流的优先级要高于服务保障流，且指挥控制流所需带宽要远小于服务保障流，在窄带宽或极端通信条件下，要优先保证指挥控制流的流动畅通，实现任何情况下都能对部队实施指挥控制。

3.2 服务视角模型分析与设计

3.2.1 服务接口描述SvcV-1

服务接口描述的代表符号是SvcV-1，该模型描述服务的构成及其交互关系。新型指挥控制系统基于“网-云-端”的总体架构，服务是作战云提供给终端的核心部分，其服务接口描述如下页图6 所示。

图6 新型指挥控制系统的服务接口描述

本文将服务分成基础设施服务和应用服务两大部分，基础设施服务将计算资源、存储资源和网络资源等封装为标准接口的基础服务，通过冗余控制、负载检测和运行控制等对上述服务进行管理，为上层的应用服务提供支持；应用服务又分为基础应用服务和作战应用服务，基础应用服务提供地图服务、导航服务和时统服务等基础通用服务，作战应用服务主要是为各级指挥机构态势融合和指挥决策等作战专用应用服务，并根据系统应用服务之间的工作流，对服务进行发布、激活、监控和注销等管理。

3.3 能力视角模型分析与设计

3.3.1 能力分类模型CV-2

能力分类模型的代表符号是CV-2，该模型给出了系统能力的层次结构。通过分析高级作战概念图OV-1 和作战活动模型OV-5b 可以得到系统所需的能力，从而得到能力分类模型CV-2，新型指挥控制系统的能力分类模型如图7 所示。

图7 新型指挥控制系统的能力分类模型

新型指挥控制系统能力主要包括指挥控制能力，服务保障能力和任务适应能力，指控系统的核心能力是指挥控制能力，服务保障能力充分利用全军资源管理服务保障体系，为指挥控制能力提供网络、计算、数据等各类资源支持，而任务适应从任务驱动的思想，从任务适应性的角度考虑系统能力。

3.3.2 能力与作战活动的映射关系CV-6

能力与作战活动的映射关系的代表符号是CV-6，描述了所具有的能力元素来执行或支持作战活动的映射关系，由图3 中可知，可通过分析作战活动模型OV-5b 和能力分类模型CV-2 得到。本文描述了系统二级能力与顶层作战活动之间的映射关系，用矩阵的形式来表示，如图8 所示。

图8 能力与作战活动的映射关系

3.3.3 能力与服务的映射模型CV-7

图9 能力与服务映射模型

能力与服务映射模型的代表符号是CV-7，该模型描述了所需能力与实现该能力的服务之间的映射关系。由体系结构分析与设计流程图图3 可知，该模型由能力分类模型CV-2 和服务接口描述SvcV-1 共同确定。该模型的表示方法和能力与作战活动的映射关系CV-6 类似，采用矩阵的形式表示，如图9 所示。图9 中的服务部分由于基础设施服务和基础应用服务作为基础服务，展开的服务粒度较小，故没有充分展开，采取与高级应用服务中子服务并列的方式进行建立能力与服务的映射模型。

3.4 系统视角模型分析与设计

3.4.1 系统功能描述SV-4

系统功能描述的代表符号是SV-4，描述系统的功能。系统功能由作战活动需求确定，通过分析作战活动模型OV-5b，可以确定新型指挥控制系统功能，再通过分析功能与子功能交互的信息流等，得到采用功能节点树的形式描述的系统功能，如图10所示。

3.4.2 系统功能与作战活动跟踪矩阵SV-5a

图10 新型指挥控制系统功能描述

系统功能与作战活动跟踪矩阵的代表符号是SV-5a，该模型作战活动与系统功能的对应关系。通过对新型指挥控制系统作战活动模型OV-5b 和系统功能描述SV-4 进行映射分析，得到系统功能与作战活动跟踪矩阵如图11 所示。由于篇幅受限，本文中只提供9 项顶层作战活动与11 项一级系统功能间的映射对应描述。

图11 系统功能与作战活动跟踪矩阵

4 结论

本文从基于“网-云-端”的新型指挥控制系统总体架构和组成分析出发，基于美国国防部体系结构框架的开发步骤，提出了基于DoDAF2.0 的新型指挥控制系统体系结构建模流程，对新型指挥控制系统的顶层体系结构进行了设计，完成了作战视角、服务视角、能力视角和系统视角等关键模型的建模。通过新型指挥控制系统体系结构建模，可为新型指挥控制系统仿真评估和系统建设提供支撑，这也是下一步需要研究的重点。